Испытания ПАВ-фильтров на воздействие сигнала с высокой входной мощностью

Фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью для систем связи.

Устройства функциональной микроэлектроники, как правило, работают при существенно меньших мощностях по сравнению с устройствами вакуумной электроники [1] и дискретными пассивными компонентами (фильтры, конденсаторы и т.п.). В вакуумных приборах нет рассеяния электронов на примесях и дислокациях, нет электрон-фононного взаимодействия с кристаллической решеткой, нет диффузии и разрушения тонкопленочных элементов – всех тех эффектов, которые препятствуют увеличению мощности прибора. Вместе с тем, устройства вакуумной электроники и дискретные пассивные компоненты с трудом поддаются микроминиатюризации.

Развитие инфокоммуникационных технологий, в частности, сотовой телефонии, предъявило новые требования к устройствам частотной селекции, работающих во входных каскадах РЭА [2], а именно повышение стойкости к достаточно мощным сигналам.
Наиболее перспективным классом радиочастотных фильтров в диапазоне частот до 3000 МГц являются частотно-избирательные фильтры, выполненные по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ), которые отличаются от своих аналогов меньшими габаритами, высокой надежностью, конструктивной и технологической совместимостью с изделиями микроэлектроники [3-14]. В силу конструктивных особенностей фильтров на ПАВ, имеется ряд проблем, связанных с ограничением рабочей мощности фильтров, в первую очередь, на высоких частотах. Это обстоятельство до недавнего времени ограничивало применение фильтров на ПАВ в современной радиоэлектронной аппаратуре и, в частности, в приемно-передающих трактах. Для решения данной проблемы в начале 90-х годов в России был предложен новый тип встречно-штыревых преобразователей (ВШП) поверхностных акустических волн, позволивших реализовать Г-, П- и Т- схемы LC-контуров полосовых и режекторных импедансных фильтров [15-17]. Импедансные фильтры (позднее в зарубежной и отечественной литературе стали чаще упоминаться, как фильтры и устройства лестничного типа) нашли широкое применение в приемопередающих трактах подвижной, сотовой и спутниковой системах связи, в схемах полосовых и режекторных фильтров, благодаря возможности совместить преимущества LC-фильтров (малое вносимое затухание, малые пульсации амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и группового времени запаздывания (ГВЗ) в полосе пропускания) с преимуществами ПАВ-фильтров (высокие технологичность и воспроизводимость характеристик, малые габариты). Это обеспечило получение не только таких параметров ПАВ-фильтров, которые были недостижимы в других акустоэлектронных устройствах (вносимое затухание – менее 2 дБ на частотах свыше 800 МГц, пульсации ГВЗ до 2 нс), но и возможность подавать на вход фильтра сигналы мощностью в несколько ватт [18-22]. Возможность работы с радиочастотными сигналами с высокой рабочей повышенной мощностью впервые была рассмотрена в работе [20]. Фильтры на ПАВ, предназначенные для работы с радиочастотными сигналами повышенной мощности, отличаются от традиционных устройств на ПАВ рядом конструктивных особенностей в топологическом решении ВШП, а именно – использование ВШП с более протяженными электродными структурами, применение секционированных ВШП или их параллельное (последовательное) включение. Это позволяет распределить воздействие сигнала по гораздо большей площади пьезоэлектрической подложки и по большей площади структуры ВШП, и таким образом уменьшить локальные напряжения в электродных структурах ВШП. Эта задача стимулировала исследования в этой области, которые не прекращаются и в наше время.
Одним из основных требований к разрабатываемым в настоящее время фильтрам на ПАВ [23] является обеспечение возможности обработки сигналов с уровнем входной мощности до 1-2 Вт.

Разработка специализированного измерительного стенда.

Поскольку стандартное оборудование для формирования сигналов требуемой мощности в заданном частотном диапазоне отсутствует, для проведения испытаний авторами был разработан специализированный измерительный стенд, который обеспечивает необходимые параметры входных сигналов и, в совокупности со стандартными измерительными приборами, позволяет провести весь комплекс испытаний фильтра. Измерительный стенд (рис.1) предназначен для проведения измерений и испытаний фильтров на ПАВ в диапазоне частот от 20 до 4000 МГц.

st1
Рис.1. Структурная схема специализированного стенда для проведения испытаний на воздействие сигнала с высокой входной мощностьюв диапазоне частот от 20 до 4000 МГц

Стенд включает в себя следующие узлы:

— источники питания на базе приборов MEANWILLNES-100-12 (PS1) и MEANWILLNES-350-24 (PS2). Они обеспечивают необходимую мощность для питания узлов контрольно-усилительного тракта в диапазонах от 12 В и 24 В до  28В, соответственно;

— усилитель ВЧ-диапазона U1 (от 20 до 1000 МГц) MiniCircuits ZHL-20W -13+;

— усилитель СВЧ-диапазона U2 (от 800 до 2000 МГц) MiniCircuits ZHL-20W -10W-2G+;

— усилитель СВЧ-диапазонаU3 (от 1800 до 4000 МГц) MiniCircuits ZHL-20W -16W-43+;

— коммутаторы ВЧ-сигналов СОМ1 и СОМ2 на входе и выходе усилительных трактов, соответственно;

— система управления (CONTR1);

— ответвитель ВЧ-мощности (COUP1);

— узлы входного (XW1) и выходного (XW2) разъемов;

— фиксированные аттенюаторы АТТ1, … , АТТ5.

В качестве частотозадающего устройства использовался генератор CВЧ-сигнала GS-8, для контроля уровня выходной мощности СВЧ-сигнала, подаваемой на фильтр ПАВ, – стандартные методы и  прибор для измерения уровня сигнала ваттметр поглощаемой мощности М3-56. Технические характеристики измерительного стенда приведены в таблице.

Таблица — Технические характеристики стенда

Параметр, ед. измерения Величина параметра
Диапазон рабочих частот, МГц 20 – 4000
Выходной уровень сигнала не менее, Вт 4,0
Максимальный уровень входного сигнала, дБм 27
Коэффициент усиления, дБ 10 – 36
Неравномерность коэффициента усиления не более 2,5
Тип присоединительных разъемов:  
Входной, выходной N
Контрольный SMA
Питание 50Гц, В 198 – 240
Потребляемая мощность, Вт 170

При испытаниях фильтра ПАВ с помощью системы управления устанавливается диапазон частот и соответствующий усилительный тракт, в пределах которого находится рабочая частота фильтра. На вход XW1 стенда от генератора ВЧ-сигналов подается сигнал на фиксированной частоте, близкой к центральной частоте исследуемого фильтра. К выходному разъему стенда XW2 подключается ваттметр поглощаемой мощности, и с помощью регулятора уровня сигнала генератора устанавливается требуемый уровень мощности на выходе стенда. Затем вместо ваттметра М3-56 к выходу стенда подключается измеряемый фильтр.

На специализированном измерительном стенде проводились оценочные испытания на воздействие сигнала высокой входной мощности экспериментальных образцов фильтров на номинальные частоты 216 МГц, 664 МГц, 1330 МГц и 2170 МГц [24-26]. Испытания проводились при повышенной температуре окружающей среды (85°С) в течение 200 часов. Фильтры испытания выдержали, что подтвердило правильность выбора базовой конструкции фильтров. В качестве примера на рис.2 приведены результаты испытаний фильтра на номинальную частоту 664 МГц.

st2a
а)
st2b
б)

 Рис.2. Результаты испытаний фильтра на номинальную частоту 664 МГц на воздействие входного сигнала мощностью 1,2 Вт: а) – до испытаний; б) – после испытаний в течение 200 часов

Кроме того, разработанный специализированный измерительный стенд использовался для проведения длительных испытаний на безотказность ПАВ-фильтров на номинальную частоту 2170 МГц [26] с уровнем мощности входного радиочастотного сигнала 1,0 Вт, а также для оценки конструктивно-технологических запасов данного фильтра при воздействии входной мощности свыше 1 Вт. Испытания проводились путем ступенчатого увеличения уровня входного сигнала (1,2 Вт, 1,5 Вт, 2,0 Вт и далее через 0,1 Вт) до отказа фильтра. Испытания показали, что фильтр на 2170 МГц, выполненный на основе конструкции лестничного типа, позволяет обрабатывать сигналы с уровнем входной мощности до 2,3 Вт.

Выводы.

В связи с интенсивным развитием инфокоммуникационных технологий и прежде всего благодаря сотовой телефонии в конце XX – в начале XXI века появилась необходимость повышения стойкости к достаточно мощным сигналам таких акустоэлектронных устройств, как фильтры на ПАВ. Поскольку стандартное оборудование для формирования сигналов требуемой мощности в СВЧ диапазоне отсутствует, то для проведения испытаний был разработан специализированный измерительный стенд, обеспечивающий высокие параметры входных сигналов. В совокупности со стандартными измерительными приборами, измерительный стенд позволил провести весь комплекс испытаний фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью.

Работа проведена при финансовой поддержке Минпромторга России в рамках государственного контракта №13411.1400099.11.069.

Литература

  1. Гуляев Ю.В. Электроника – это фундаментальная наука // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2012. № С. 8-15.
  2. Кондратьев С.Н., Сингур Е.К., Машинин О.В., Синицына Т.В. Разработка и исследование ВЧ-входных фильтров на ПАВ // Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты. 1987. № 3(68). С.33-35.
  3. Машинин О., Багдасарян А., Львов В., Прапорщиков В., Синицына Т. Багдасарян С. Модульные канальные эквалайзеры на ПАВ-фильтрах // Электроника: Наука, технология, бизнес. № 2. С. 74-81.
  4. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Никитов С.А., Багдасарян С.А., Синицына Т.В., Бутенко В.В., Машинин О.В., Прапорщиков В.В. Узкополосные фильтры на поверхностных акустических волнах в системах радиочастотной идентификации // Радиотехника и электроника. Т. 53.№ 7. С. 887-896.
  5. Sinitsyna T.V., Praporchtshikov V.V., Bagdasarian A.S. SAW resonator filters for communications systems Proc. 4th Intern. Crimean Conf.: Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo’04), Kiev, Ukraine. С. 472-473.
  6. Багдасарян А., Синицына Т., Машинин О., Егоров Р. Устройства частотной селекции на ПАВ в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2013. № 8 (131). С. 128-136.
  7. Багдасарян А., Синицына Т., Орлов П., Швец В. Частотно-селективные СВЧ-модули на основе преобразователей веерного типа // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2012.№ 2 (116). С. 66-71.
  8. Синицына Т.В. Исследование и разработка физических методов проектирования высокоизбирательных акустоэлектронных приборов с малым вносимым затуханием. Автореф. дис… к-та техн. наук. М.: НТЦ уникального приборостроения РАН, 2003.
  9. Синицына Т.В. Исследование и разработка физических методов проектирования высокоизбирательных акустоэлектронных приборов с малым вносимым затуханием. Дис… к-та техн. наук. М.: НТЦ уникального приборостроения РАН, 2003.
  10. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В. ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя // Электросвязь. 2004. № 2. С. 32.
  11. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Орлов М.М. Узкополосные ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе поперечно-связанной структуры // Электронная промышленность. № 1. С. 19.
  12. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров М.М. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур // Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 14.
  13. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кузнецов М.В. Резонаторные ПАВ-фильтры на основе реверсивного МПО // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 15.
  14. Гуляев Ю., Багдасарян А., Синицына Т., Прапорщиков В., Орлов М., Егоров Р. ПАВ-фильтры во входных каскадах приемо-передающих устройств // Наука и технологии в промышленности. 2006. № 4. С. 82.
  15. Багдасарян А.С., Багдасарян В.П., Карапетьян Г.Я., Кондратьев С.Н., Семенов В.В. Устройство на поверхностных акустических волнах. Заявка на изобретение №5066042/22/039878 от 24.08.1992. Патент на изобретение RUS 2242839 15.05.2002.
  16. Багдасарян А.С., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Семенов В.В., Аверкин С.В. Режекторный фильтр на поверхностных акустических волнах. Заявка на изобретение №5066032/22/039879 от 24.08.1992. Патент на изобретение RUS 2195071 12.04.2002.
  17. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11.
  18. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные ПАВ-фильтры для спутникового телевидения и телевидения высокой четкости // Электросвязь. 1998. № 6. С. 21.
  19. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные фильтры. М.: Издательство «Международная программа образования», 1998. – 80 с.
  20. Багдасарян А.С. Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и обработки информации. Автореф. дис… д-ра техн. наук. СПб.: ГП Дальняя связь, 1999.
  21. Багдасарян А.С. Импедансные фильтры сотовых систем связи // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 13.
  22. Багдасарян А., Багдасарян С., Карапетьян Г., Машинин О., Синицына Т. Импедансные ПАВ-фильтры для телекоммуникационных систем. Российский приоритет // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2014. № 7 (139). С. 48-65.
  23. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Бутенко В.В., Иванов П.Г., Данилов А.Л. Фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью: базовые модели для анализа электродных структур // Электросвязь. 2015. № 10 С. 65-70.
  24. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Николаев В.И., Машинин О.В., Егоров Р.В. Фильтры с высокой входной мощностью для радиотехнических систем: фильтр на ПАВ на частоту 216 МГц // Теория и техника радиосвязи. 2015. № 3. С. 28-39.
  25. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Машинин О.В., Егоров Р.В. СВЧ фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью для систем и аппаратуры передачи и обработки информации // Труды НИИР.2015. № 4. С.
  26. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Николаев В.И., Машинин О.В. Фильтры на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи: конструктивно-технологические особенности // Теория и техника радиосвязи. 2015. № 3. С. 40-45.